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Technik soll helfen, mehr über das Mikrobiom zu lernen

Mikrobiomforschung
Technik soll helfen, mehr über das Mikrobiom zu lernen

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Prof. Dirk Haller forscht an der TU München zu Bakterien im Darm und ihrer Rolle bei chronisch entzündlichen Krankheitenund der Krebsentstehung. Er leitet das Zentralinstitut Food & Health und koordiniert den Sonderforschungsbereich 1371 „Microbiome Signatures“ (Bild: TU München/privat)
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Wer das Mikrobiom – alle Mikroorganismen, die in und auf Menschen leben – versteht, bekommt eine neue Sicht auf die Ursachen und die Behandlung von Erkrankungen. Mikrobiom-Forscher Prof. Dirk Haller von der TU München erläutert, wo die Forschung steht und wofür Medizintechnik gebraucht würde.

Dr. Birgit Oppermann
birgit.oppermann@konradin.de

Herr Professor Haller, was ist mit „Mikrobiom“ gemeint?

Der Begriff wird heute für die Gesamtheit der Mikroorganismen verwendet, die als komplexes Ökosystem im und auf dem Körper leben und vielfältige Funktionen übernehmen können. Früher sprach man von Mikroflora, aber der Bezug zu Pflanzen war irreführend. Der Begriff Mikrobiom leitet sich als Kunstwort auch vom Genom ab, der Gesamtheit der Erbinformationen all dieser Lebewesen. Das zu betonen ist richtig, denn das Volumen ihrer genetischen Informationen übersteigt das, was das menschliche Genom mitbringt, um den Faktor 500. Das zeigt, welche unglaubliche Vielfalt an Fähigkeiten, bestimmte Stoffwechselprozesse durchzuführen, da verborgen ist. Wie das Zusammenspiel untereinander und mit dem menschlichen Stoffwechsel aussieht, fangen wir gerade erst an zu verstehen.

Was wissen Forscher über die Rolle, die das Mikrobiom im Körper spielt?

In den vergangenen gut zehn Jahren ist sehr viel zu genetischen Analysen der Mikroorganismen veröffentlicht worden. Das geht damit einher, dass seit etwa 2006 die Technik zur Verfügung stand, solche Daten mit Hochdurchsatzsequenzierern automatisiert zu erheben. Das hat eine Vielzahl von Vergleichen zwischen dem Mikrobiom bei Gesunden und Erkrankten ermöglicht. Dabei zeigten sich auch Korrelationen zwischen Mikrobiomzusammensetzung und bestimmten Erkrankungen. Beispiele dafür sind chronische Darmentzündung, Diabetes typ II oder Multiple Sklerose. Nun liegt die Aufgabe vor uns, zu schauen, wo es über die Korrelation hinaus ursächliche Zusammenhänge gibt und wie wir solche Erkenntnisse medizinisch nutzen können.

Was ist aus Ihrer Sicht die spannendste Erkenntnis, die die Mikrobiomforschung bisher hervorgebracht hat?

Am spannendsten ist die Komplexität. Obwohl so viel geforscht wurde, können wir bisher kaum mehr als die Vermutung zu bestätigen: Ja, das Mikrobiom beeinflusst seinen Wirtsorganismus. Die vielen Hypothesen, die aus den Daten schon abgeleitet wurden, müssen nun bestätigt oder widerlegt werden. Das dauert nicht selten zehn Jahre. Heute betonen manche Forscher sogar schon mit einem Augenzwinkern, dass das Mikrobiom nicht an allem Schuld sein könne. Das soll aber nicht den Blick darauf verstellen, dass wir klinisch relevante Zusammenhänge sehen und diese auch nutzen wollen.

Welche Behandlungsmöglichkeiten ergeben sich aus der Mikrobiomforschung?

Klinische Relevanz haben heute schon Stuhltransplantationen gegen Clostridium-difficile-Infektionen, die zu Dickdarmentzündungen führen können. Die Idee dahinter ist, die übermäßige Entwicklung des krankmachenden Mikroorganismus zurückzudrängen, in dem er Konkurrenz durch eine gesunde Mischung aus anderen Bakterien bekommt. Ein weiterer Fall ist die unerwünschte immunologische Abwehrreaktion des Körpers, die nach einer Stammzelltransplantation auftreten kann, mit der eine Leukämie behandelt werden soll. Eine Stuhltransplantation, die Pathogene verdrängt, kann auch hier lebensrettend sein. Noch komplexer sind die Zusammenhänge, wenn über das Mikrobiom die Wirksamkeit von Medikamenten für die Krebstherapie gesteigert werden kann. In Mäusen sehen wir da schon Erfolge.

Wie verändert die Mikrobiomforschung die Medizin?

Es wird eine neue Sicht auf Krankheit und Gesundheit diskutiert. Durch unsere Ernährung beeinflussen wir die Zusammensetzung des Mikrobioms. Eine ungünstige Kombination kann Menschen anfälliger machen für bestimmte Krankheiten. Das kann uns künftig ermöglichen, präventiv zu handeln. Seriöse Forscher sind mit Aussagen dazu aber noch sehr vorsichtig.

Was wird gebraucht, um die Mikrobiomforschung voranzutreiben?

Zeit und Geld. Als aus dem Human Genome Project vollständige Sequenzdaten für das menschliche Genom vorlagen, haben diese auch nicht sofort die erhofften Antworten auf medizinische Fragen geliefert. Vielmehr stieß man in der Folge auf individuelle chemische Veränderungen an der Erbsubstanz, die die Epigenetik beschreibt und die wir noch nicht restlos verstehen. Da die genetische Information im Mikrobiom um so viel umfangreicher ist, werden wir eine Weile brauchen, um sie zu interpretieren.

Welche neuen oder weiterentwickelten Medizinprodukte wären dabei hilfreich?

Wir werden auf jeden Fall viel Bioinformatik brauchen, um die Zusammensetzung der Gemeinschaften zu verstehen. Und wir brauchen Medizinprodukte, mit denen wir gezielter Proben nehmen können. Eine Stuhlprobe zum Beispiel zeigt am Ende nur eine Mischung aus allem, was auf dem Weg durch den Darm passiert ist. Der Darm ist aber segmentiert, und einzelnen Bereichen kommen unterschiedliche Aufgaben zu. Das wird sich auch in unterschiedlichen Mikroorganismen widerspiegeln. Noch können wir das nicht nachweisen, da wir nicht gezielt Proben nehmen können. Hierfür wären besondere Formen einer Kapselendoskopie mit integrierter Probenahme sinnvoll. Derzeit rekrutieren wir Fachleute aus der Technik, um solche Lösungen zu entwickeln. Auch Biosensoren wären willkommen, um zum Beispiel Säuren in verschiedenen Segmenten nachzuweisen – oder auch nur die Verteilung von Wasser im Darm. Und für eine Stuhltransplantation gäbe es sicher andere Möglichkeiten als das heute übliche Verschlucken einer Kapsel.

Was wird die größte Veränderung in der Medizin sein, die wir in den kommenden zehn Jahren durch die Mikrobiomforschung zu erwarten haben?

Das ist in etwa der Zeitraum, der uns im Sonderforschungsbereich 1371 zur Verfügung steht. Bis dahin wollen wir das Thema klinisch implementieren, so dass Mikrobiommessungen vom Arzt in der Diagnostik eingesetzt werden können. Dafür brauchen wir gesicherte Protokolle, die zum Beispiel vorsehen, dass ein Patient vor der Darmuntersuchung, der Coloskopie, eine Stuhlprobe zur Verfügung stellt. Es muss klar sein, was daran analysiert wird und welche Informationen aus der Analyse abgeleitet und dem Arzt zur Verfügung gestellt werden. Bisher gibt es dafür in Deutschland keine Standards. Das Wissen könnte aber helfen, um zum Beispiel eine Therapie individueller zuzuschneiden. Man muss die Messlatte für einen klinischen Nutzen der Mikrobiommessung aber auch nicht zu hoch legen: Aspirin nutzen wir heute erfolgreich, selbst wenn wir nicht im Einzelnen wissen, wie es wirkt.

Wie wichtig ist das Thema Mikrobiom für die Menschen derzeit?

Es ist – leider – offenbar schon zu interessant, denn es hat sich bereits ein Markt für Scharlatane entwickelt, die für sehr viel Geld Mikrobiomanalysen anbieten und mögliche Krankheitsrisiken für das Individuum daraus ableiten. Eine Therapieempfehlung liefern sie gleich mit plus ein Angebot für angeblich passende Nahrungsergänzungsmittel. Gehen Patienten mit dem Vorschlag zum Hausarzt, wird dieser mit den teuren Daten nichts anfangen, denn mehr als Wahrscheinlichkeiten für Erkrankungen – noch dazu mit hoher Fehlerquote – können seriöse Fachleute daraus nicht ableiten. Solche Angebote sehe ich als grenzwertig fahrlässig.

Was wissen Sie über Ihr eigenes Mikrobiom?

Eine ganze Menge, da im Rahmen der Forschung regelmäßig Proben untersucht und mit den Daten anderer Menschen abgeglichen wurden. Mein Mikrobiom ist erfreulicherweise reichhaltig und produziert viele wünschenswerte kurzkettige Fettsäuren. Es verändert seine Zusammensetzung und passt sich zum Beispiel um die Weihnachtszeit an die veränderte Ernährung an. Danach oder auch in der Folge medizinischer Behandlungen pendelt es sich aber wieder auf den alten Zustand ein. Das zu beobachten ist sehr spannend.


Welche Bakterien zusammen einen Darmabschnitt bevölkern, beeinflusst den Stoffwechsel des Wirtsorganismus – auch den des Menschen. Wie genau, wird in verschiedenen Vorhaben erforscht
(Bild: Alex/stock.adobe.com)

Mehr zur Mikrobiomforschung

Der Begriff Mikrobiom wird häufig im Zusammenhang mit dem Menschen verwendet, bezeichnet aber auch die Zusammensetzung von Mikrobengemeinschaften in Tieren oder ganzen Ökosystemen. Zu den Mikroorganismen, die beim Menschen eine Rolle spielen, wurde und wird unter anderem in folgenden Projekten geforscht:

  • Das Human Microbiome Project (HMP) startete 2008 auf Inititative des US-amerikanischen National Institute of Health und sollte zeigen, welche Mikroorganismen den menschlichen Körper besiedeln. Erste Ergebnisse wurden 2012 vorgelegt, darunter die Erkenntnis, dass über 10 000 Arten von Mikroorganismen bei einem gesunden Menschen vertreten sind. Die Ergebnisse waren als Referenz für den Genpool eines Mikrobioms gedacht.
    www.hmpdacc.org
  • Im DFG-Schwerpunktprogramm Intestinal Microbiota (2013-2019) ging es vor allem um das Zusammenspiel der Mikroorganismen mit ihrem Wirt, also Mensch oder Tier.
    www.intestinal-microbiota.de
  • Im Anschluss an das Schwerpunktprogramm entstand der Sonderforschungsbereich 1371 Microbiome Signatures. In diesem interdisziplinären Verbund untersuchen die Beteiligten, welche Funktionen das Mikrobiom im Körper übernimmt und was das für die Medizin heißen könnte, speziell für entzündliche Darmerkrankungen oder Krebs.
    www.sfb1371.tum.de

Kontakt zum Wissenschaftler:

Prof. Dr. Dirk Haller
Lehrstuhl für Ernährung und Immunologie Nutrition and Immunology
ZIEL – Institute for Food & Health (Director)
Technische Universität München
Gregor-Mendel-Str. 2
85354 Freising
Tel. +49 (0)8161-71-2026
www.nutrition-immunology.de
www.ziel.tum.de
www.sfb1371.tum.de

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